《互换性与测量技术》教学中三坐标测量机的应用研究
《互换性与测量技术》教学中三坐标测量机的应用研究
【摘要】 通过在《互换性与测量技术》课程的实验教学中引入三坐标测量机，使学生将理论与实践很好地结合起来。不仅熟练掌握了理论知识，还学习了三坐标测量机的操作。培养了学生先进技术的应用能力。
【关键词】 互换性与测量技术 形位公差 三坐标测量机
1.引言
《互换性与测量技术》课程是机械类各专业的一门技术基础课，它包括机械精度设计和零件测量技术两部分内容，两者相辅相成，缺一不可[1]。该课程要求学生重点掌握两个基本知识和基本技能：一是合理确定各类零件公差配合的种类、公差数值大小及正确的图样标注，既要满足使用要求，又能最大限度地降低生产成本；二是对加工后的零件进行正确的检验，保证产品品质，实现互换性生产，从而提高检验精度和效率。掌握这两个技能，在实际生产中具有重要的意义[2]。
2.本课程教学现状
《互换性与测量技术》课程涉及内容主要有极限与配合、形位公差、表面粗糙度、典型零件互换性、测量技术基础及尺寸链等[3]。该课程名词术语多、标准项目多、抽象概念多、符号代号多，涉及的知识面广，理论性和实践性强。传统的教学以“粉笔+黑板”的模式进行，老师讲得很累，学生却感觉枯燥、乏味、兴趣不浓。
在本课程的教学中，“形位公差及其检测”这一模块是重中之重。学生对各种形位公差的符号及其含义感觉很陌生，更别提选用合适的方法对各种形位公差进行检测了。要学生很好地理解各种形位公差的含义，“理论+实验”的教学模式比较可取。通过多媒体教学讲解各种形位公差的含义，并配以相应的实验操作研究检测的方法，将理论与实践相结合，才可加深学生对这一知识点的理解，提高教学效率。
传统《互换性与测量技术》实验教学内容相对比较陈旧，大都选择传统的实验仪器。而随着科技的发展，对机械加工精度的要求越来越高，相对应地，对检测设备的精度要求也越来越高。很多企业已经配备了高精度的综合性测量仪器（如三坐标测量机、影像测量仪等），如果教学中还固守陈旧的实验内容和设备，忽视对学生实验能力和创新精神的培养，就难以满足时代发展对创新型人才的需求。
针对这一情况，在《互换性与测量技术》课程的实验教学中，选用企业应用较广泛的三坐标测量机，该仪器精度为μm级，可实现尺寸精度和各种形位公差的综合测量。
3.三坐标测量机简介
三坐标测量机，简称CMM，是由三个相互垂直的运动轴X、Y、Z建立起一个直角坐标系，测头的一切运动都在这个坐标系中进行，测头的运动轨迹由测球中心点来表示。测量时，把被测零件放在工作台上，测头与零件表面接触，三坐标测量机的检测系统可以随时给出测球中心点在坐标系中的精确位置。当测球沿着工件的几何型面移动时，就可以得出被测几何型面上各点的坐标值。将这些数据送入计算机，通过相应的软件进行处理，就可以精确地计算出被测工件的几何尺寸、形状和位置公差等。它广泛应用于机械制造、仪器制造、电子工业、航空工业等各领域。
本文中采用杭州博洋公司生产的BQC654复合式三坐标测量机（图1），该仪器将激光扫描、接触式探针测量、CCD影像测量集成在一台设备上，可对工件进行扫描采点、获取点云数据进行产品反求设计；同时可对各种工件进行几何元素、形位公差及复杂曲面的高精度测量，获取测量数据进行产品质量检测；以及可对电子线路板、钣金零件和不便接触测量的柔性工件、标准样图等对象进行高精度影像测量。该仪器采用Rational-DMIS测量软件。测量精度可达2～3μm，测量行程可达500mm（X）×600mm（Y）×400mm（Z）。
4.实验教学的实施方案
本文中以“形位公差及其检测”这一模块的教学为例，研究利用三坐标测量机进行实验教学的实施方案。将实验设置成基本实验与综合实验两个部分。
4.1 基本实验的实施方案
基本实验的教学与《互换性与测量技术》课程中形位公差理论知识的讲解同步，先讲解形位公差的含义、常用检测方法，然后在三坐标测量机上演示相对应形位公差的检测及评价。下面以平行度为例来简单介绍一下。
4.1.1 讲解平行度的含义
平行度公差用于限制被测要素对基准要素平行方向的误差。平行度公差带的形状有两平行平面、两组平行平面和圆柱等。此处需要重点强调“平行度公差带与基准平行”。
4.1.2 讲解平行度的检测
传统的检测方法：用水平仪分别测量零件上的基准面(A)和被测面(B)，对基准和被测面上的测量数据进行计算，并评定得出平行度误差（图2）。
4.1.3 用三坐标测量机检测平行度
以图2工件为例，用三坐标测量机分别测量面A和面B，然后以A面为基准面，B面为被测面，评价B面相对于A面的平行度（图3）。输出报告如图4所示。
所有形位公差的教学都可遵循以上步骤进行，用三坐标练习测量工件的形位公差，在理解形位公差含义的同时，学习了三坐标测量机的操作，一举两得。
4.2 综合实验的实施方案
在完成基本实验的学习之后，可通过测量不同复杂程度零件的形位公差来进一步掌握形位公差的含义。教师可先提供较简单的零件供学生检测其尺寸及形位公差，待大部分同学都掌握之后，可根据学生学习及兴趣情况提供复杂零件，让学生自己设计实验项目，再在三坐标测量机上进行练习与验证。这样可以让学生充分理解各种形位公差的含义，实验设计及动手实践能力也得到了加强。
由于三坐标测量机数量有限，并且为了避免学生初次操作用力不当而损坏测针，在实验教学过程中采用三坐标测量机仿真软件。每个学生只需要配置电脑和操作手柄，就可以在电脑上练习测量和评价形位公差了。待练习熟练后，再根据实际情况分组上真机操作。这样，让每个学生都有机会练习三坐标测量机的操作，也大大提高了教学效率。
5. 结束语
实践证明，在《互换性与测量技术》课程的实验教学中引入三坐标测量机，通过基本实验和综合实验的教学，学生不再只局限于理解形位公差的表面含义，而是深层次地掌握了各种形位公差的含义及检测方法，并对三坐标测量机在实际工程中的应用有了全新的认识。
在以后的教学中，还可以利用其它高精度测量仪器（光学影像仪、投影仪、测长仪、粗糙度测试仪等），结合数控加工（数控车、数控铣、加工中心等），从加工到检测，由学生自己完成。这将对于拓展学生的知识结构，提高学生的工程实践能力，培养学生对现代设计与制造技术的应用能力起到积极作用。
参考文献:
戴新.《互换性与测量技术》课程实验教学改革.广州大学信息与机电工程学院，广州:实验科学与技术,2007年6月，第5卷第3期；
宋慧.《互换性与测量技术基础》的“教学做”一体化教学探索.青岛黄海学院，青岛:高教高职研究，2011年第83期；
陈于萍，高晓康.《互换性与测量技术》.北京：高等教育出版社，2005.
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